应用3.0T MR电影相位对比成像定量研究颈椎管内脑脊液腹侧和后外侧运动的区别

脑脊液循环有人体第三循环之称。早在20世纪40年代人们就开始了对脑脊液流动问题的研究。最初的方法都是一些有创伤的检查方法，改变了脑脊液的生理性环境。自20世纪80年代磁共振电影相位对比技术（PC-MRI）应用于临床以后，磁共振可以做到无创准确定量测量脑脊液的流动方向和速度，无需引入对比剂，尤其对缓慢流动敏感[1]。过去的十几年中，PC-MRI检查主要集中于颅内的脑脊液，如中脑导水管、枕骨大孔上方水平脑脊液的流动[2～7]，对于椎管内的脑脊液研究甚少。本研究应用磁共振相位对比方法研究颈椎管内的脑脊液循环特点，定量测量颈椎管内腹侧及后外侧的脑脊液流速，以期为脑脊液循环的研究提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 在最近12个月的回顾性研究中，对80例健康志愿者进行了检查，检查中均未发现任何颅内及椎管内病变。其中，男性 38例（47.5%），女性42例（52.5%）。年龄15～45岁（平均30.3±15.2岁）。

1.2 仪器与方法 应用GE signa EXCITE 3.0T HD磁共振设备，脊柱线圈，仰卧位扫描，检查前不用做任何准备。扫描过程中尽量避免深呼吸和吞咽动作。首先常规行颈椎矢状位、横轴位扫描，应用快速恢复快速自旋回波序列（FRFSE）扫描，参数：TR/TE/NEX/FA，2 400～2 500ms/110～120ms/4/90；层厚 3mm，层间隔0.5mm，FOV 26cm×26cm，矩阵380×256。然后所有志愿者采用外周门控，分别于颈2～3椎间盘、颈3～4椎间盘、颈4～5椎间盘、颈5～6椎间盘及颈6～7椎间盘水平行快速电影相位对比法扫描，定位线分别与椎管内蛛网膜下腔脑脊液流向垂直（图 1）。快速电影相位对比序列的扫描参数：TR/TE/NEX/FA，最小/最小/1/20，层厚3mm，层间隔0mm，FOV16cm×16cm，矩阵256×128。流速编码应用20cm/s，方向规定头向尾方向为正向，在相位图上呈白色，尾向头方向为反方向，在相位图上呈黑色（图 2）。整个扫描检查时间大约15min。我们把一个心动周期分为30个时相，快速电影相位对比法扫描后的图像经过后处理得到颈椎管内每一个椎间盘水平一个心动周期内的实时流速。由于颈椎椎管近似三角形，我们人为地把颈椎椎管分为三部分：腹侧、右后侧、左后侧。将所得图像放大到合适大小，而后调节窗宽、窗位使得颈部蛛网膜下腔与邻近结构对比最清晰时，由两位有经验的影像科诊断医师使用盲法分别应用轨迹球仔细画出椎管内腹侧、右后侧、左后侧蛛网膜下腔的范围，然后自动得到每一个时相的脑脊液流速及整个心动周期内的流动波形（图 3、4），峰值流量=峰值流速×感兴趣区面积。

图1 定位线垂直于颈2～3椎间盘水平椎管内脑脊液流动方向

图2 A图PC-MRI上椎管内脑脊液头向尾侧流动呈白色；B图脑脊液尾向头侧流动呈黑色

图3 A图颈2～3水平椎管分成3个感兴趣区：腹侧、右后侧和左后侧；B图分别代表每一个感兴趣区对应的实时流速（mm/s）

图4 每一个感兴趣区对应的一个心动周期内脑脊液的振动波形

获得每一个志愿者的颈2～3椎间盘、颈3～4椎间盘、颈4～5椎间盘、颈5～6椎间盘及颈6～7椎间盘水平腹侧、右后侧及左后侧的蛛网膜下腔面积（mm2）以及对应的每一个时相的脑脊液实时流速（cm/s）。

1.3 统计学分析 应用SAS V8软件分析数据，计量资料数据以均数±标准差（±s）表示颈椎管同一椎间盘水平的腹侧、右后侧及左后侧峰值流速、峰值流量应用多个样本比较的秩和检验（kruskal-wallis）；同一椎间盘水平的腹侧、后外侧峰值流速、峰值流量应用两组之间的非参数秩和检验（mann-whitney U检验）；颈椎管不同椎间盘水平的腹侧、右后侧、左后侧峰值流速、峰值流量应用多个样本比较的秩和检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

在磁共振相位对比图像中，所有志愿者颈椎管内不同椎间盘水平的脑脊液心脏收缩期都呈白色高信号，代表从头向尾流动；心脏舒张期都呈黑色低信号，代表脑脊液从尾向头流动。在一个心动周期中，椎管内的脑脊液呈振荡运动，而且收缩期流速普遍大于舒张期流速，表明一个心动周期内为头向尾方向的净流动。

分别测得磁共振相位对比图像中颈2～3椎间盘、颈3～4椎间盘、颈4～5椎间盘、颈5～6椎间盘及颈6～7椎间盘水平腹侧峰值流速、峰值流量及右后侧、左后侧峰值流速、峰值流量见表1，应用多样本之间比较的秩和检验发现同一椎间盘水平腹侧峰值流速、峰值流量明显大于右后侧、左后侧峰值流速、峰值流量（P＜0.05）；颈椎管不同椎间盘水平的腹侧、右后侧、左后侧峰值流速、峰值流量没有显著性差别。

表1 颈2～7椎间盘水平腹侧、右后侧、左后侧峰值流速、峰值流量

3 讨论

3.1 脑脊液的循环 自从放射性核素脑池造影、X线电影脑池和脑室造影及颅内压监测等方法应用以来，学者们对脑脊液的产生、循环途径和吸收的生理情况有了初步了解。DiChino等[8]经核素脑池造影24h后发现最多量的核素积聚在颅顶蛛网膜颗粒，提出了脑脊液团流模式，即脑脊液于脑室系统脉络丛产生后，通过中脑导水管经由第四脑室正中孔和侧孔进入蛛网膜下腔，在椎管内脑脊液通过脊髓的背侧下流至终池，脑脊液在此转向脊髓前面并向上经基底池至颅顶，脑脊液在此处被上矢状窦旁蛛网膜颗粒吸收入血。20世纪70年代以后传统的脑脊液团流理论受到质疑，Greitz等[9]用核素脑池造影方法进行研究，认为造影后24h放射性核素标记在颅顶及腰骶部积聚并不能用脑脊液团流理论来解释，而可能是由脑室系统流出的脑脊液搏动混合所致。但是由于上述方法的创伤性和不可靠性限制了对脑脊液动力学的生理和病理研究。1986～1987 年，Feinberg 和Mark首次将电影相位对比法用于测量脑脊液速度的活体研究，开创了PC-MRI研究和临床应用的新领域[10]。

此后应用PC-MRI成像研究脑脊液流动形式的相关报道逐渐增多，但是文献主要集中于颅内，如中脑导水管、枕骨大孔上方水平比较狭窄结构内的脑脊液运动形式。而对于椎管内的大量的脑脊液流动报道甚少。本研究中我们测得80例正常志愿者颈不同椎间盘水平椎管内脑脊液的流动特点：①在一个心动周期中颈椎管内脑脊液呈振荡性运动，收缩期，脑脊液由头端流向尾端；舒张期，脑脊液由尾端流向头端；②同时发现在一个心动周期中收缩期流速普遍大于舒张期流速，故考虑净流量为头向尾方向。与Hofmann E等的报道相同[11]。

3.2 MR相位对比电影成像的原理 MR相位对比电影成像是通过位相相反的两极组成的流动梯度磁场对流动液体进行两次不同的流动编码图像采集。因为流动编码梯度对静止组织没有作用，两次图像采集所得的静止质子信号相同，而流动质子在两个梯度之间经过两个不同的正负梯度累加而产生相位位移。此相位位移与流动质子在流动编码方向上的流动成正比。这两个图像相减即可得到只有流动质子的图像。在相位对比图像中，相位位移与流速成正比，表现为像素信号强度的变化；同时还能表示流体的方向。流体与预设的流动编码方向一致，像素显示为白色亮信号，反之为黑色暗信号，而静止组织呈灰色信号。

相位对比电影成像通过相位对比技术与心电门控技术相结合，使得流动液体的相位位移与时间相结合，可以获得流动液体的实时流速。国内外近年来有学者用此技术来测量血流及颅内导水管的脑脊液流动[12]，但对椎管内的脑脊液循环研究很少。

应用磁共振电影相位对比法测量椎管内脑脊液的流动有很多优点，包括无创伤、无需患者做准备、无需引入对比剂、无X线辐射、扫描速度快，尤其是快速电影相位对比法整个序列扫描时间仅仅十几秒，即可定量得到脑脊液的实时流速。

3.3 MR相位对比电影扫描的注意事项 目前，虽然我们应用的是高分辨率的MR设备，但仍有一些误差，包括不合适的流速编码、部分容积效应、涡流的影响以及放置感兴趣的误差等[13～15]。

为定量测量流体，在确定感兴趣的层面上需选择合适的流速编码。流速编码的选择要求是既可见到流体的快流动，也可见到相对的慢流动。过高于真实流体峰速度的流速编码可能低估流速, 而低于真实流体峰速度的流速编码可能高估流速。根据我们的经验和文献报道，测量颈椎管内脑脊液的流速，流速编码值置于15～20cm/s之间为宜。

为了减少误差的发生，感兴趣区的选择应尽量准确全面。由于颈椎椎管近似三角形，故我们在测量颈椎管内脑脊液面积时人为将颈椎椎管蛛网膜下腔分为3部分——腹侧、右后侧、左后侧分别测量来减少误差。在处理流动图像时尽量使用最佳的窗宽、窗位，只有准确地确定管径的边缘，才能准确地定位感兴趣区的范围。

3.4 颈椎管内脑脊液腹侧和后外侧运动的区别 关于同一水平椎管内不同区域脑脊液的流速是否一致一直困惑着研究者。在我们的大样本研究中发现，颈椎管同一水平蛛网膜下腔脑脊液腹侧峰值流速、峰值流量明显大于后外侧峰值流速，峰值流量；同时发现颈椎管不同水平蛛网膜下腔脑脊液腹侧、后外侧峰值流速、峰值流量没有显著性区别。研究表明，椎管内腹侧脑脊液循环动力明显大于后外侧，希望这个研究结果能为脑脊液循环未来的生理、病理研究提供重要参考价值。

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